(57)【要約】  高性能、低コストの自動車用レーダが、３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズのまわりに受信機を取り付けることによって設計されている。この構成に関しては、アンテナの放射パターンは、全ての角度について維持される（これは、ビームの変形がないことを意味する）。更に、本レーダは、高い角度分解能及び広帯域の動作で全ての位角及び仰角で検出を実行することができる。レーダは、環境に従ってその空間センシング・パターン、引周波数帯域、パルス繰返し周波数、及びコヒーレント処理間隔を適応調整する。これは、粗スキャンを最初に実行することによって達成され、これにより狭い帯域幅の波形及び広いビーム・スキャンニングを介してセンシングの結果を更新する。関心のある対象が特定されたとき、高解能の詳細スキャンが、特定の関心領域内で実行される。このようにして、ずっとより効果的な検出が得られ得る。また、３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズ式のレーダの干渉を緩和させる方法、及びレンズ式のＭＩＭＯ手法を用いて角度分解能を改善する方法が開示されている。
2019527835.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自律型自動車の周囲の環境をスキャンニングする適応センシング方法であって、前記環境は、複数の特定の領域を含み、
（ａ）ミリメートル波自動車用レーダを用意するステップ（２０１）であって、前記ミリメートル波自動車用レーダは、
（ｉ）１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置、
（ｉｉ）ミリメートル波範囲内に周波数の上限を有する３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズ、
（ｉｉｉ）前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置に動作可能に結合された複数のアンテナ・フィード素子であって、前記３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズの表面に取り付けられ、決定された方向にそれぞれ位置決めされる複数のアンテナ・フィード素子、及び
（ｉｖ）前記複数のアンテナ・フィード素子及び前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置に動作可能に結合された１つ又は複数の処理要素
を備える、ステップと、
（ｂ）前記環境の粗スキャンを実行するステップであって、
（ｉ）前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置を介して前記環境へ送信される１つ又は複数のワイド・ビーム・パターンを前記複数の処理要素を介して発生させるステップ（２０２）と、
（ｉｉ）前記１つ又は複数のワイド・ビーム・パターンと前記環境との間の相互作用から結果として生じる第１の信号セットを前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置を介して受信するステップであって、各信号は信号強度を有し、前記３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズは、前記複数のアンテナ・フィード素子によってそれが受信される前に、前記第１の信号セットをフォーカスする（２０３）、ステップと、
（ｉｉｉ）前記第１の信号セットを前記複数の処理要素を介して処理するステップであって、処理要素によって処理された信号の前記信号強度が第１の所定の閾値を超える場合に、前記処理要素の前記特定の領域が関心領域である（２０５）、ステップと
を含むステップと、
（ｃ）各関心領域の詳細スキャンを実行するステップであって、
（ｉ）前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置を介して各関心領域へ送信されるナロー・スキャンニング・ビームを、前記複数のアンテナ・フィード素子を介して発生させるステップ（２０６）と、
（ｉｉ）第２の信号セットを前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置を介して受信するステップ（２０８）であって、前記第２の信号セットは、前記ナロー・スキャンニング・ビームと各関心領域との間の相互作用の結果であり、前記３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズは、前記複数のアンテナ・フィード素子によってそれが受信される前に、前記第２の信号セットをフォーカスする（２０７）、ステップと、
（ｉｉｉ）前記第２の信号セットを前記複数の処理要素を介して処理して、各関心領域についての情報を決定する（２０９）ステップと
を含むステップと
を含み、
処理前に前記第１及び第２の信号セットをフォーカスする前記３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズの使用により、従来の平面フェイズド・アレイと比べて前記ミリメートル波自動車用レーダの信号対雑音比、角度分解能、及び検出範囲が改善する結果となり、前記粗スキャン、及び続く前記詳細スキャンの実行により、前記粗スキャンが前記詳細スキャンの前記ナロー・スキャンニング・ビームを介してセンシングの結果を更新するときに、前記環境に従って空間センシング・パターン、掃引周波数帯域、パルス繰返し周波数、及びコヒーレント処理間隔を適応的に調整する、適応センシング方法。
【請求項２】
所与の処理要素によって処理される前記信号の前記信号強度は、前記信号が１つ又は複数の関心対象と相互作用するときに、前記第１の所定の閾値を超え、前記第２の信号セットの処理により、前記１つ又は複数の関心対象についての情報をもたらす、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
複数の第１の所定の閾値は、前記ミリメートル波自動車用レーダから離れた前記複数の距離のうちの一距離にそれぞれある前記１つ又は複数の関心対象の存在を検出するように複数の距離について設定される、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
１つ又は複数のミリメートル波受信機及び１つ又は複数のミリメートル波送信機は、前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置の代わりに使用される、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
マルチ・インプット・マルチ・アウトプット（「ＭＩＭＯ」）技法が、前記ミリメートル波自動車用レーダの前記角度分解能を改善させるために用いられ、前記ＭＩＭＯ技法は、
（ａ）ミリメートル波送信機ごとに前記１つ又は複数のミリメートル波受信機の大きさ及び位相を測定するステップと、
（ｂ）前記ミリメートル波送信機の各々の間の異なるターゲット方向についての複数の位相差を計算するステップと、
（ｃ）前記複数位相差を補償するステップと、
（ｄ）前記３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズ（１０４）の出力ビーム半値幅よりも狭いスキャンニング・ビームを発生させるように異なるミリメートル波送信機からの複数のレーダの結果をコヒーレントに加え、それによって改善された角度分解能を実現するステップと
を含み、
前記スキャンニング・ビームは、前記ナロー・スキャンニング・ビームとして各関心領域へ送信される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記１つ又は複数のワイド・ビーム・パターン及前記ナロー・スキャンニング・ビームは、ミリメートル波スペクトルの１つ又は複数のチャンネルを通じて前記環境へ送信され、オポチュニティー・スペクトル・アクセス（「ＯＳＡ」）は、所与の期間についての前記１つ又は複数のチャンネルの利用可能性を決定するために評価される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
部分観測マルコフ決定過程は、前記ミリメートル波自動車用レーダについての前記ＯＳＡを評価するために使用される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
干渉抑制技法が、前記第１及び第２の信号セットを含む受信信号から干渉を除去するために適用され、前記干渉抑制技法は、前記受信信号の時間ドメイン内で実行され、
（ａ）前記受信信号の振幅を測定するステップと、
（ｂ）振幅が第２の所定の閾値を超えるか判定するステップと、
（ｃ）前記第２の所定の閾値を超える前記受信信号の前記振幅の一部を削るステップと
を含む、請求項５に記載の方法。
【請求項９】
ステップ（ｃ）は、決定された回数反復され、各反復は、いくつかの前記関心領域を更に狭くし、及び／又はより詳細に各関心領域についての情報をもたらす、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
各処理要素は、メモリに記憶されている１つ又は複数の命令セットを実行するプロセッサに動作可能に結合された前記メモリを備え、前記１つ又は複数の命令セットは、前記１つ又は複数のワイド・ビーム・パターン及び前記ナロー・スキャンニング・ビームを発生させることと、前記第１の信号セット及び前記第２の信号セットを処理することと、前記ＭＩＭＯ技法及び干渉技法を実行することとを含み、前記メモリは、前記複数の第１の所定の閾値、及び前記第２の所定の閾値を更に記憶している、請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
自律型自動車の周囲の環境をスキャンニングするのに有効なミリメートル波自動車用レーダであって、前記環境は複数の特定の領域を含み、レーダは、
（ａ）１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置（１０２）と、
（ｂ）ミリメートル波範囲内に周波数の上限を有する３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズ（１０４）と、
（ｃ）前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置に動作可能に結合された複数のアンテナ・フィード素子（１０３）であって、前記３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズ（１０４）の表面に取り付けられ、決定された方向にそれぞれ位置決めされる、複数のアンテナ・フィード素子（１０３）と、
（ｄ）前記複数のアンテナ・フィード素子（１０３）及び前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置（１０２）に動作可能に結合された１つ又は複数の処理要素（１０７）と
を備え、
前記環境の粗スキャンは、前記１つ又は複数の処理要素（１０７）によって発生させられる１つ又は複数のワイド・ビーム・パターン（１０１）を介して実行され、前記１つ又は複数のワイド・ビーム・パターン（１０１）は、前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置（１０２）を介して前記環境へ送信され、第１の信号セット（１０６）は、前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置によって受信され、前記第１の信号セット（１０６）は、１つ又は複数の関心領域を決定するように前記１つ又は複数の処理要素（１０７）によって処理され、
次いで、詳細スキャンは、ナロー・スキャンニング・ビームを発生させ送信し、前記１つ又は複数の関心領域をスキャンすることによって実行され、これによって前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置（１０２）により受信される第２の信号セットになり、前記第２の信号セット（１０６）は、各関心領域についての情報を決定するように前記１つ又は複数の処理要素（１０７）を介して処理され、
前記３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズ（１０４）は、前記複数のアンテナ・フィード素子（１０３）によってそれが受信される前に前記第１及び第２の信号セットをフォーカスし、このフォーカスにより、従来の平面フェイズド・アレイと比べて前記ミリメートル波自動車用レーダの信号対雑音比、角度分解能、処理速度、及び検出範囲の改善となり、
前記粗スキャンの実行、及び続く前記詳細スキャンの実行は、前記粗スキャンが前記詳細スキャンの前記ナロー・スキャンニング・ビームを介してセンシングの結果を更新するときに、前記環境に従って空間センシング・パターン、掃引周波数帯域、パルス繰返し周波数、及びコヒーレント処理間隔を適応的に調整することができる、ミリメートル波自動車用レーダ。
【請求項１２】
前記第１の信号セットの（１０６）の各信号は、信号強度を有し、処理要素によって処理された信号の前記信号強度が第１の所定の閾値を超える場合に、前記処理要素の前記特定の領域が前記１つ又は複数の関心領域の関心領域である、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記信号強度は、１つ又は複数の関心対象が前記特定の領域内にあるときに、前記第１の所定の閾値を超える、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第２の信号セットを処理することにより、前記１つ又は複数の関心対象についての情報がもたらされる、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
複数の第１の所定の閾値は、前記ミリメートル波自動車用レーダから離れた前記複数の距離のうちの一距離にそれぞれある前記１つ又は複数の関心対象の存在を検出するように複数の距離について設定される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
１つ又は複数のミリメートル波受信機及び１つ又は複数のミリメートル波送信機は、前記１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置の代わりに使用される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
マルチ・インプット・マルチ・アウトプット（「ＭＩＭＯ」）技法が、前記ミリメートル波自動車用レーダの前記角度分解能を改善させるために用いられ、前記ＭＩＭＯ技法は、
（ａ）ミリメートル波送信機ごとに前記１つ又は複数のミリメートル波受信機の大きさ及び位相を測定することと、
（ｂ）前記１つ又は複数のミリメートル波送信機の各々の間の異なるターゲット方向についての複数の位相差を計算することと、
（ｃ）前記複数位相差を補償することと、
（ｄ）前記３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズ（１０４）の出力ビーム半値幅よりも狭いスキャンニング・ビームを発生させるように異なる送信機からの複数のレーダの結果をコヒーレントに加え、それによって改善された角度分解能を実現することと
を含み、
前記スキャンニング・ビームは、前記ナロー・スキャンニング・ビームとして各関心領域へ送信される、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記１つ又は複数のワイド・ビーム・パターン（１０１）及び前記ナロー・スキャンニング・ビームは、ミリメートル波スペクトルの１つ又は複数のチャンネルを通じて前記環境へ送信され、オポチュニティー・スペクトル・アクセス（「ＯＳＡ」）は、所与の期間についての前記１つ又は複数のチャンネルの利用可能性を決定するために評価される、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
部分観測マルコフ決定過程は、前記ミリメートル波自動車用レーダについての前記ＯＳＡを評価するために使用される、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
干渉抑制技法が、前記第１及び第２の信号セットを含む受信信号から干渉を除去するために適用され、前記干渉抑制技法は、前記受信信号の時間ドメイン内で実行され、
（ａ）前記受信信号の振幅を測定するステップと、
（ｂ）振幅が第２の所定の閾値を超えるか判定するステップと、
（ｃ）前記第２の所定の閾値を超える前記受信信号の前記振幅の一部を削るステップと
を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
前記１つ又は複数の関心領域の前記詳細スキャンは、何回かの反復にわたって実行され、各反復は、いくつかの前記関心領域を更に狭くし、及び／又はより詳細に各関心領域についての情報をもたらす、請求項１１に記載のシステム。
【請求項２２】
各処理要素は、メモリに記憶されている１つ又は複数の命令セットを実行するプロセッサに動作可能に結合された前記メモリを備え、前記１つ又は複数の命令セットは、前記１つ又は複数のワイド・ビーム・パターン及び前記ナロー・スキャンニング・ビームを発生させることと、前記第１の信号セット及び前記第２の信号セットを処理することと、前記ＭＩＭＯ技法及び干渉技法を実行することとを含み、前記メモリは、前記複数の第１の所定の閾値、及び前記第２の所定の閾値を更に記憶している、請求項２０に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズ式のミリメートル波レーダを用いて自律型自動車の周囲環境を適応センシングする方法、及びこのレーダの干渉を緩和させる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年まで、自律型輸送は、サイエンス・フィクションの中に存在しているものにすぎなかった。いくつかのわくわくさせる実験が示されたことで、自動運転の自動車が現実のものにより近づいていることが明らかである。米国における２億５０００万台を超える自動車、及び世界中の１２億台の自動車について考えると、自律型輸送は、政府、民間産業、及び個別消費者等のステークホルダを含む巨大エマージング市場を表す。必要に応じて現実のものとなる自律型輸送については、高性能、高信頼性、及び手ごろさを伴うセンサ・システムが必要である。現在、レーダ、ライダー、超音波、及びカメラ式のセンサ等のいくつかの技術が、自動車センシング応用に利用されている。しかしながら、既存のシステムは、分解能、感度、全天候性、及び手ごろさを欠くことにより、複雑なシナリオにおける自律運転に十分なものはない。
【０００３】
本発明は、自律運転の難しい要件を満足する重要なセンサ・ソリューションを示し得る高い角度分解能（＜２°）、長い検出範囲（＞２００ｍ）、及び自動車の周囲の全カバーを伴う新規なミリメートル波（３０〜３００ＧＨｚ）のレーダ（７６〜８１ＧＨｚ）の調査及び開発を提案する。提案されたレーダは、革新的なハードウェア（３次元（「３Ｄ」）プリンティングが使用可能なルーネブルグ・レンズ）及び高度センシング（適応レーダ技法）と干渉回避及び高速処理能力とを兼ね備えている。それは、コンパクトなサイズ及び手ごろなコストを維持しつつ、１０ミリ秒内で自動車の周囲の全ての移動中のターゲット及び静止ターゲットを位置特定し認識するのに十分な感度及び分解能（角度、範囲、及びドップラー／速度）を有する。
【０００４】
超音波センサと比較して、ミリメートル波レーダは、より小型のサイズ、より軽い重量、より高い分解能、及びより長い範囲という利点を有する。ライダー及びカメラ式のセンサと比較して、ミリメートル波レーダは、雨、雪、霧、煙、及び土埃を通り抜ける際にずっと良い性能を有し、自律運転にとって欠くことができないより高い信頼性をもたらす。ライダーは全ての既存のセンサの中で最高の分解能をもたらし、現在の自律型自動車のプロトタイプの大部分に使用されているが、ライダーはコストが高く、荒天に対して不利に応答することが主要な欠点である。
【０００５】
屈折率勾配を有する３Ｄルーネブルグ・レンズは、多くの無線センシング及び通信応用にとって非常に望ましい高いゲイン、広帯域の機能性、及び複数のビームを同時に形成する能力という利点を有する。しかしながら、ルーネブルグ・レンズを作るための従来の製造方法は、時間がかかり、費用がかかり、又は２Ｄレンズを造るために使用できるものにすぎない。結果として、商業的に利用可能な３Ｄルーネブルグ・レンズのための周波数の上限は、わずか１０ＧＨｚであり、ミリメートル波レーダに適していない。本発明は、ミリメートル波の範囲内で動作する３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズを利用する。そのようなレンズの例示的な製造技法は、非特許文献１に開示されている。従来の製造技法と比較して、Ｘｉｎの３Ｄプリント手法は、よりずっと便利であり、高速であり、安価であり、且つミリメートル波の範囲内でルーネブルグ・レンズを実装可能である。
【０００６】
３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズ表面上にフィーディング素子（例えば、アンテナ）を取り付けることによって、フィーディング素子が非平坦面に取り付けられているので、高性能なビーム・ステアリングが実行できる。今日使用されている従来の平面フェイズド・アレイ・レーダと比較して、提案されたルーネブルグ・レンズ式のレーダは、かなり改善されたゲイン及びより鋭いビームを有し、同じ個数のフィーディング素子を用いてずっと良いＳＮＲ（＞２倍）、角度分解能（＞２倍）、及び検出範囲をもたらす。また、ルーネブルグ・レンズが球対称なことにより、提案されたレーダは、従来の平面フェイズド・アレイ・レーダと同じ性能動作で、全ての方位角及び仰角をカバーすることができ、したがって遠距離、中距離、及び近距離範囲のハードウェアに分離する必要性がない。更に、ルーネブルグ・レンズの球状の集光特性により、従来の平面アレイ・レーダと比較して角度評価における計算コストが大いに減少することが可能になる。その結果、処理時間は、特に広い視野域について高い角度分解能を有する、この新規なルーネブルグ・レンズ式の構成を用いて大いに減少させられ得る。ルーネブルグ・レンズ・アレイの特徴的な広帯域幅及びナチュラル・ビームの形成を用いて、本発明のルーネブルグ・レンズ式のレーダは、環境に従ってその空間センシング・パターン、掃引周波数帯域、パルス繰返し周波数、及びコヒーレント処理間隔を適応的に調整することができる。
【０００７】
本明細書に記載された任意の特徴又は特徴同士の組合せは、文脈、本明細書、及び当業者の知識から明らかであるように任意のそのような組合せに含まれた特徴が相互に一貫性があるならば、本発明の範囲内に含まれる。本発明の追加の利点及び態様は、以下の詳細な説明及び特許請求の範囲において明らかである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００７／０２９６６４０号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／０１５８３６９号明細書
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】“A 3D Luneburg Lens Antenna Fabricated by Polymer Jetting Raped Prototyping,” Xin, et. al.
【非特許文献２】Liang, M., Ng, W. R., Chang, K., Gbele, K., Gehm, M. E., & Xin, H. (2014). A 3-D luneburg lens antenna fabricated by polymer jetting rapid prototyping. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 62(4), 1799-1807. [6698375]. DOI:
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
要するに、本発明の目的は、より効率的なレーダ・センシング・システムを提供することである。本発明の実施例は、自律型自動車の周囲の複数の特定の領域を含む環境をスキャンニングする適応センシング方法を特徴とする。いくつかの実施例では、方法は、ミリメートル波自動車用レーダを用意することを含む。他の実施例では、ミリメートル波自動車用レーダは、１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置と、ミリメートル波範囲内に周波数の上限を有する３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズと、１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置に動作可能に結合された複数のアンテナ・フィード素子と、複数のアンテナ・フィード素子に動作可能に結合された１つ又は複数の処理要素とを備える。一実施例では、複数のアンテナ・フィード素子は、３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズの表面に取り付けられるとともに、決定された方向にそれぞれ位置決めされる。別の実施例では、各処理要素は、複数の特定の領域の特定の領域から生じる所与の信号を処理する。
【００１１】
さらなる実施例では、環境の粗スキャンは、ミリメートル波自動車用レーダを介して実行される。好ましい実施例では、粗スキャンは、
（ｉ）１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置によって環境へ送信される１つ又は複数のワイド・ビーム・パターンを複数の処理要素を介して発生させるステップと、
（ｉｉ）１つ又は複数のワイド・ビーム・パターンと環境との間の相互作用から結果として生じる第１の信号セットを１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置を介して受信するステップであって、第１の信号セットが、複数のアンテナ・フィード素子によってそれが受信される前に３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズによってフォーカスされる、受信するステップと、
（ｉｉｉ）信号の信号強度が第１の所定の閾値を超える場合に、処理要素の特定の領域が関心領域とみなされる第１の信号セットを複数の処理要素を介して処理するステップと、を含む。
【００１２】
追加の実施例では、次いで、
（ｉ）１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置を介して各関心領域へ送信されるナロー・スキャンニング・ビームを、複数処理要素を介して発生させるステップと、
（ｉｉ）ナロー・ビームと各関心領域との間の相互作用から結果として生じる第２の信号セットを、複数のミリメートル波送受信機装置を介して受信するステップであって、３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズは、複数のアンテナ・フィード素子によってそれが受信される前に、第２の信号セットをフォーカスするステップと、
（ｉｉｉ）第２の信号セットを複数の処理要素を介して処理して各関心領域についての情報を決定するステップと、
を含む詳細スキャンが実行される。
【００１３】
処理前に第１及び第２の信号セットをデジタル処理する３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズの使用により、従来の平面フェイズド・アレイと比べて信号対雑音比、角度分解能、検出範囲、及びより高速な処理が改善する結果となる。更に、粗スキャンの実行、及び続いて詳細スキャンの実行により、環境に従って空間センシング・パターン、引周波数帯域、パルス繰返し周波数、及びコヒーレント処理間隔を適応的に調整する。
【００１４】
いくつかの実施例では、方法は、オポチュニティー・スペクトル・アクセス（「ＯＳＡ」）を評価するためにある期間にわたって利用可能であるミリメートル波スペクトルのチャンネルを決定するステップを更に含む。他の実施例では、部分観測可能マルコフ決定過程（「ＰＯＭＤＰ」）は、ＯＳＡを評価するために使用される。ミリメートル波スペクトルの周波数帯域は、複数のチャンネルに分割され、ＰＯＭＤＰは、チャンネルの利用可能性を説明するために使用される。過去の干渉の観測に従って、ＰＯＭＤＰは、近い将来における所与のチャンネル中の干渉の存在を予測する。利用可能なチャンネルは、干渉の確率が低いチャンネルと考えられる。
【００１５】
自律型自動車に使用するためのレーダの角度分解能（すなわち、空間分解能）を改善するシステム及び方法は、様々な特許の対象となっている。しかしながら、これらのシステム及び方法は、レーダの設計の複雑さがかなり増大することを一貫して要し、これによりコスト及び信号処理の負担が増大する。例えば、特許文献１は、長い範囲及び短い範囲の自動車用レーダ検出に用いるために球状の共有型誘電体レンズを利用するマルチビーム・アンテナを詳述する。所定の位置にあるレンズの表面に結合された導波路フィードが、選択された周波数で電磁波を伝搬させる。誘電体レンズ及び導波路フィードは、サイズ及びシステムのサイズの複雑さをかなり増大させ、したがって、高い製造コストを必要とする。更に、導波路フィードの大きいサイズは、高い角度分解能の実現を阻害する。
【００１６】
更に、特許文献２は、自律運転に使用するためのミリメートル波自動車用レーダを記載している。レーダは、送信用アンテナ及び２つの受信用アンテナが配置されているアンテナ板と、基準方向に対してターゲットの方位角を検出するプロセッサとからなる。角度の有効範囲の改善の必要性は、ここでも対処されているが、設計の複雑さの増大が犠牲になっている（回転アンテナ板を動作させるモータを必要とする）。
【００１７】
したがって、自律型自動車に使用するためのレーダのスキャンニング分解能を改善する技術的な問題は、ほとんどないし全くコストなしで、残っている。本発明のルーネブルグ・レンズ式のミリメートル波自動車用レーダは、ミリメートル波の範囲内に周波数の上限を有するルーネブルグ・レンズの高ゲイン、広帯域の機能性、及び同時に複数のビームを形成する能力として技術的解決策を提供し、かなり改善されたゲイン及びより鋭いビームを提供し、改善された角度分解能（＞２倍）をもたらす。この改善は、同じ個数のフィーディング素子が要求されるときに、設計の複雑さの増大なしで取得される。また、本発明は、送受信機装置の個数の増加を必要とすることなく、本ミリメートル波自動車用レーダの角度分解能を更に改善させるマルチ・インプット・マルチ・アウトプット（「ＭＩＭＯ」）技法も特徴とする。
【００１８】
更に、本ミリメートル波自動車用レーダを介して実行される提案された適応センシング方法は、従来のレーダと比べて（環境の複雑さに応じて）２〜１０倍の間の（スキャン速度に直接関連している）改善されたスキャンニング効率を示している。
【００１９】
本発明の特徴及び利点は、添付図面に関連して示された以下の詳細な説明を検討することにより明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本ミリメートル波自動車用レーダの例示的な図である。
【図２】例示的な実施例による本ミリメートル波自動車用レーダのスキャンニング手順を詳述する流れ図である。
【図３】本発明のミリメートル波自動車用レーダによって用いられる適応センシング方法の図である。
【図４】干渉を予測するのに使用される動的スペクトル・アクセス方法の図である。
【図５Ａ】検出された対象と使用中のレーダとの間の角度を計算する際の、従来のレーダ・センシングと本ミリメートル波自動車用レーダとの間のレーダ出力の比較の一例を示す図であって、ターゲット１は０度に位置し、レーダから２００メートル離れており、ターゲット２は３０度に位置し、レーダから５０メートル離れており、ターゲット３は−４５度に位置し、レーダから１５０離れている図である。
【図５Ｂ】検出された対象と使用中のレーダとの間の角度を計算する際の、従来のレーダ・センシングと本ミリメートル波自動車用レーダとの間のレーダ出力の比較の一例を示す図であって、ターゲット１は０度に位置し、レーダから２００メートル離れており、ターゲット２は３０に位置し、レーダから５０メートル離れており、ターゲット３は−４５度に位置し、レーダから１５０離れている図である。
【図６】従来の方法を用いて得られる結果と比較した本適応センシング方法の結果を示す。本適応センシング方法の結果は、従来の自律型自動車レーダと比べてセンシングの結果を得るのにより少ないサンプルを必要とする図である。
【図７】各送信機／受信機が環境のある角度エリアをカバーする本ミリメートル波自動車用レーダの概略図である。
【図８】適応センシング方法のための空間センシング・パターンの一例を示す図である。
【図９Ａ】本適応センシング方法を適用しないで本ミリメートル波自動車用レーダによって生成されたターゲット画像を示す図である。
【図９Ｂ】本適応センシング方法を適用する本ミリメートル波自動車用レーダによって生成されたターゲット画像を示す図である。
【図１０】２つの信号が交わるときに発生する干渉を示す図である。
【図１１Ａ】干渉前の検出された受信信号を示す図である。
【図１１Ｂ】干渉が存在中の検出された受信信号を示す図である。
【図１１Ｃ】干渉信号が削られた後の検出された受信信号を示す図である。
【図１２Ａ】図１１Ａの検出された受信信号の範囲／ドップラーの結果を示すグラフである。
【図１２Ｂ】図１１Ｂの検出された受信信号の範囲／ドップラーの結果を示すグラフである。
【図１２Ｃ】図１１Ｃの検出された受信信号の範囲／ドップラーの結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
次に、図１〜図１２Ｃを参照すると、本発明は、自律型自動車の周囲の複数の特定の領域を含む環境をスキャンニングする適応センシング方法を特徴として備えている。いくつかの実施例では、この方法は、ミリメートル波自動車用レーダを用意することを含む。他の実施例では、ミリメートル波自動車用レーダは、１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置と、ミリメートル波範囲内に周波数の上限を有する３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズと、１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置に動作可能に結合された複数のアンテナ・フィード素子と、複数のアンテナ・フィード素子及び送受信機装置に動作可能に結合された１つ又は複数の処理要素とを備える。代替実施例では、１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置は、それぞれ別々の送信機及び受信機である。一実施例では、複数のアンテナ・フィード素子は、３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズの表面に取り付けられるとともに、決定された方向にそれぞれ位置決めされる。別の実施例では、１つ又は複数の処理要素は、複数の特定の領域の特定の領域から生じる所与の信号を処理する。
【００２２】
さらなる実施例では、環境の粗スキャンは、ミリメートル波自動車用レーダを介して実行される。好ましい実施例では、粗スキャンは、
（ｉ）１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置によって環境へ送信される１つ又は複数のワイド・ビーム・パターンを複数の処理要素を介して発生させるステップ（２０２）と、
（ｉｉ）複数のワイド・ビーム・パターンと環境との間の相互作用から結果として生じる第１の信号セットであって、複数のアンテナ・フィード素子によってそれが受信される前に３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズによってフォーカスされる第１の信号セットを、複数のアンテナ・フィード素子を介して受信するステップ（２０３）と、
（ｉｉｉ）信号の信号強度が第１の所定の閾値を超える場合に、処理要素の特定の領域が関心領域とみなされる第１の信号セットを複数の処理要素を介して処理するステップ（２０５）と、を含む。
【００２３】
追加の実施例では、次いで、
（ｉ）１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置を介して各関心領域へ送信されるナロー・スキャンニング・ビームを複数のアンテナ・フィード素子を介して発生させるステップ（２０６）と、
（ｉｉ）第２の信号セットを１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置を介して受信するステップ（２０８）であって、第２の信号セットは、ナロー・スキャンニング・ビームと各関心領域との間の相互作用の結果であり、３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズは、複数のアンテナ・フィード素子によってそれが受信される前に第２の信号セットをフォーカスする（２０７）ステップと、
（ｉｉｉ）第２の信号セットを複数の処理要素によって処理して各関心領域についての情報を決定するステップ（２０９）と、
を含む各関心領域の詳細スキャンが実行される。
処理前に第１及び第２の信号セットをデジタルフォーカスするための３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズの使用により、従来の平面フェイズド・アレイと比較してミリメートル波自動車用レーダの信号対雑音比、角度分解能、検出範囲、及び処理速度の改善という結果になる。更に、粗スキャンを実行し、続いて詳細スキャンを実行することにより、粗スキャンが詳細スキャンのナロー・スキャンニング・ビームを介してセンシングの結果を更新するときに、環境に従って空間センシング・パターン、掃引周波数帯域、パルス繰返し周波数、及びコヒーレント処理間隔を適応的に調整する。
【００２４】
補足の実施例では、所与の処理要素によって処理される信号の信号強度は、信号が１つ又は複数の関心対象ときに相互作用するときに、第１の所定の閾値を超える。このようにして、環境中の対象のセンシングは達成される。第２の信号セットの処理により、ミリメートル波自動車用レーダによってセンシングされた１つ又は複数の関心対象についての情報をもたらす。
【００２５】
いくつかの実施例では、複数の第１の所定の閾値は、ミリメートル波自動車用レーダから離れた距離にそれぞれある１つ又は複数の関心対象の存在を検出するように複数の距離について設定される。
【００２６】
一実施例では、１つ又は複数のミリメートル波受信機及び１つ又は複数のミリメートル波送信機は、１つ又は複数のミリメートル波送受信機装置の代わりに使用される。
【００２７】
他の実施例では、ＭＩＭＯ技法が、ミリメートル波自動車用レーダの角度分解能を改善するために用いられる。さらなる実施例では、ＭＩＭＯ技法は、ミリメートル波送信機ごとに１つ又は複数のミリメートル波受信機の大きさ及び位相を測定するステップと、１つ又は複数のミリメートル波送信機の各々の間の異なるターゲット方向についての複数の位相差を計算するステップとを含む。次いで、複数の位相差が補償され得、（１つ又は複数のミリメートル波送信機の）異なるミリメートル波送信機からの複数のレーダ結果は、３Ｄプリント・ルーネブルグ・レンズの出力ビーム半値幅よりも狭いスキャンニング・ビームを発生させるようにコヒーレントに加えられ、それによって改善された角度分解能を実現する。次いで、スキャンニング・ビームは、ナロー・スキャンニング・ビームとして各関心領域へ送信することができる。前述したように、ＭＩＭＯ技法は、所与の個数の受信機装置のためにミリメートル波自動車用レーダの角度分解能を改善するのに有効である。代替実施例では、ＭＩＭＯ技法は、所与の角度分解能に必要とされる送受信機装置の個数を減少させるように適用され得る。従来の平面アレイ・レーダの角度発見方法と本ミリメートル波自動車用レーダの角度発見方法の出力された比較が、図５に示されている。
【００２８】
追加の実施例では、１つ又は複数のワイド・ビーム・パターン及びナロー・スキャンニング・ビームは、ミリメートル波スペクトルの１つ又は複数のチャンネル（或いは、代替として、周波数帯域）を通じて環境へ送信され得る。好ましい実施例では、ＯＳＡは、所与の期間についての１つ又は複数のチャンネルの利用可能性を決定するために評価される。いくつかの実施例では、ＰＯＭＤＰを使用してＯＳＡを評価する。ＰＯＭＤＰは、チャンネルの利用可能性を説明するために使用される。過去の干渉の観測に従って、ＰＯＭＤＰは、近い将来における所与のチャンネル中の干渉の存在を予測する。利用可能なチャンネルは、干渉の確率が低いチャンネルである。
【００２９】
一実施例では、続くナロー・スキャンニング・ビームが、決定された反復回数にわたって関心領域へ送信される。各反復は、いくつかのかの関心領域を更に狭くする、及び／又はより詳細に各関心領域についての情報をもたらすことができる。
【００３０】
補足の実施例では、干渉抑制技法は、任意の受信信号から干渉を除去するように用いられる。いくつかの実施例では、受信信号は、第１の信号セット、２の信号セット、又は関心領域への続くナロー・スキャンニング・ビームの送信から結果として生じる信号であり得る。典型的には、本ミリメートル波自動車用レーダは、線形周波数変調された波形を送信信号として用いる（図１０参照）。干渉は、侵入者レーダの信号がこれらの送信信号と交わるときに生じる。干渉は、受信信号を処理するときに、本適応センシング方法に偽のターゲットを検出させ、雑音フロアを増加させ、又は実際のターゲットを見逃させてしまう可能性がある。この干渉を抑制する１つのやり方は、時間ドメイン内で受信信号を削ることである。干渉は、侵入者の信号が本レーダの送信信号と交わるときにのみ存在することに留意されたい。典型的には、干渉は、図１１Ｂに示されるように短い持続期間と、受信信号よりもかなり高い振幅とを有するものであり、（共に距離に対して）これは受信信号の出力が４の累乗だけ減少する一方、干渉の出力は、２の累乗だけ減少するからである。例示的な実施例では、干渉抑制技法は、時間ドメイン内で実行され、
（ｉ）受信信号の振幅を測定するステップと、
（ｉｉ）振幅が第２の所定の閾値を超えるか判定するステップと、
（ｉｉｉ）第２の所定の閾値を超える受信信号の振幅の一部を削るステップと、を含む。
【００３１】
さらなる実施例では、各処理要素は、ロセッサに動作可能に結合されたメモリを備え、メモリに記憶されている１つ又は複数の命令セットを実行する。一実施例では、１つ又は複数の命令セットは、１つ又は複数のワイド・ビーム・パターン、及びナロー・スキャンニング・ビームを発生させることと、第１の信号セット及び第２の信号セットを処理することと、ＭＩＭＯ技法及び干渉技法を実行することとを含む。別の実施例では、メモリは、複数の第１の所定の閾値、及び第２の所定の閾値を更に記憶している。
【００３２】
いくつかの実施例では、ミリメートル波自動車用レーダに対しての検出された対象の角度は、第１の信号セットの振幅値及び複数の処理要素の較正された感度ファクタを用いて検出される。ルーネブルグ・レンズの球状の集光特性の結果として、角度発見の計算コストは、（角度発見計算における高速フーリエ変換（「ＦＦＴ」）を用いる）平面アレイを使用する従来のレーダ・システムと比較して大いに減じられる。従来のレーダ・システムについては、角度発見手法は、異なる受信機（代替として、素子）間の測定された位相差に基づく。Ｎ個の素子平面アレイ・レーダ・システムの場合、ＦＦＴを用いる角度発見技法における計算コストは、Ｎ＊ｌｏｇ２（Ｎ）に比例している。本ルーネブルグ・レンズ式のミリメートル波自動車用レーダに関しては、異なる方向からの電磁波（例えば、受信信号）がレンズによってフォーカスされるので、角度発見手順は、ずっとより簡単になる。正確な角度発見の結果は、各受信機の測定された振幅値及び較正された感度ファクタから直接得ることができる。Ｎ個の素子のルーネブルグ・レンズミリメートル波レーダの場合、計算コストは、Ｎに比例し、これは従来のレーダ・システムよりもずっと高速である。例えば、１６個の素子のルーネブルグ・レンズ式のレーダの場合、処理時間は、同じ個数の素子を有する従来のレーダよりも少なくとも４倍速くなる。評価によって、１ミリ秒未満の計算時間が、本レーダを用いた角度発見に必要とされる。本ミリメートル波自動車用レーダの角度発見技法は、振幅に基づくので、受信機素子間の相違を補償する較正が、角度発見結果を改善するために実行されてもよい。
【００３３】
ＰＯＭＤＰの詳細
Ｎ個の周波数帯域は、Ｍ＝２Ｎ状態を有する離散時間マルコフ連鎖によってモデル化することができ、ただし、この状態は、各帯域の利用可能性として定義されている。遷移確率ｐ（ｋ）ｉｊは、
【数１】
2019527835.tif 000003
から容易に得ることができ、ただし、ｋは干渉レーダの波形のタイプを表し、αはビジーからアイドルへのチャンネルの確率を表し、アイドルからビジーへのチャンネルの確率を表わし、ｉ及びｊは、異なるチャンネルを表す。Ｎ＝２の状態図は、図４に示されており、ただし、
【数２】
2019527835.tif 000004
であり、状態｛１，０｝は、第１の帯域が利用可能である一方、第２の帯域は混雑していることを示す。時間スロットごとに、ユーザは、信号を送信するとともに干渉を決定する１つの帯域を選択することしかできないので、ミリメートル波スペクトルの状態は、部分的に可観測であるにすぎない。ｎ（ｎ＝１，．．．，Ｔ）とすることにより、残りの決定間隔の数を示す。Ｔ個の時間スロットにわたっての有限水平ＰＯＭＤＰについて、残りのｎ個の決定間隔における性能を最適化する時間スロットＴ−ｎ＋１及びアクションａが選択される。情報ベクトルπの動的挙動は、離散時間連続状態マルコフ過程である。ミリメートル波スペクトルの状態に関する所与の従前の情報π、現在の知識π’、アクションａ下の観測後θは、ベイズ則
【数３】
2019527835.tif 000005
によって容易に得ることができ、ただし、前の式は、観測θ及びアクションαに基づくπからの更新された情報ベクトルである。
【００３４】
実験の詳細
本ミリメートル波自動車用レーダの詳細な実施例では、Ｉｎｆｉｎｅｏｎからの送信機（ＲＰＮ７７２０、１０ｄＢｍの出力パワー）及び受信機（ＲＲＮ７７４５、１４ｄＢの雑音指数）のチップが使用された。ルーネブルグ・レンズのゲインが２３ｄＢであると仮定すると、受信機における受信信号は、関心対象が１０ｍ２のレーダ断面積（「ＲＣＳ」）を有するとともに、３０ＭＨｚのレーダ・システム帯域幅を有するレーダ（自動車についての典型的なＲＣＳは約１００ｍ２である）から２０メートル離れているときに、Ｐｒ＝Ｐｔ・Ｇ２・σ・λ２／（４π）３・Ｒ４＝−６７ｄＢｍである。熱雑音、及び典型的な１４ｄＢの受信機雑音指数を考慮すると、信号対雑音比は、受信機チャンネルにおいて１８ｄＢになる。レーダから１００メートルで１ｍ２のＲＣＳ（歩行者にとって典型的なＲＣＳ）を有する対象に関して最悪な場合のシナリオは、２６ｄＢのゲインを必要とする。
【００３５】
図９Ａ〜図９Ｂは、本適応センシング方法を適用した状態又は適用しない状態で本ミリメートル波自動車用レーダが発生したターゲット画像を示す。この例では、処理時間は、本適応センシング方法を用いて１０分の１だけ短縮される。
【００３６】
本明細書に使用されるとき、用語「約（ａｂｏｕｔ）」は、参照された数字のプラス又はマイナス１０％を指す。
【００３７】
本明細書で説明されたものに加えて、本発明の様々な修正例は、前述の説明から当業者に明らかである。そのような修正例は、添付の特許請求の範囲内に含まれることがやはり意図されている。本出願に引用された各参考文献は、参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【００３８】
本発明の好ましい実施例を図示及び説明してきたが、添付の特許請求の範囲を超えない修正がそれになされてもよいことは当業者に容易に明らかになるであろう。したがって、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって限定されるものにすぎない。特許請求の範囲に挙げられた参照番号は、例示的であり、特許庁が審査しやするするためのものにすぎず、形はどうであれ限定されない。いくつかの実施例では、本特許出願に示された図は、角度、寸法の割合等を含めて原寸に比例しない。いくつかの実施例では、図は、代表的なものにすぎず、特許請求の範囲は、図の寸法によって限定されない。いくつかの実施例では、本明細書に記載した本発明の説明は、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という語句を用いることは、「からなる（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」として記載されてもよい実施例を含み、したがって、語句「からなる」を用いた本発明の１つ又は複数の実施例を特許請求するための明細書の記載要件は満たされている。
【００３９】
添付の特許請求の範囲に挙げられた参照番号は、本特許出願の審査を簡単にするためのものにすぎず、例示的であり、形はどうであれ、特許請求の範囲を図面中に対応する参照番号を有する特定の特徴に限定することは意図されていない。
【図１】
2019527835.tif 000006
【図２】
2019527835.tif 000007
【図３】
2019527835.tif 000008
【図４】
2019527835.tif 000009
【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
2019527835.tif 000011
【図６】
2019527835.tif 000012
【図７】
2019527835.tif 000013
【図８】
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【図９Ａ】
2019527835.tif 000015
【図９Ｂ】
2019527835.tif 000016
【図１０】
2019527835.tif 000017
【図１１Ａ】
2019527835.tif 000018
【図１１Ｂ】
2019527835.tif 000019
【図１１Ｃ】
2019527835.tif 000020
【図１２Ａ】
2019527835.tif 000021
【図１２Ｂ】
2019527835.tif 000022
【図１２Ｃ】
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【国際調査報告】
2019527835.tif 000024